JP2012083163A - 分光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分光装置に接続される光ファイバのＮＡが想定よりも大きい場合でも、光ファイバの出射光をすべて分光装置に取り込み、精度の高い測定を実現できる分光装置を提供すること。
【解決手段】光ファイバを介して入力される測定すべき光信号を平行光に変換して回折格子に入射する放物面鏡を有する分光装置において、
前記光ファイバの出力端部に、出射光のＮＡを入射光のＮＡよりも小さく変換するＮＡ変換手段を設けたことを特徴とするもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、分光装置に関し、詳しくは、光信号レベルを高精度で測定するための改善に関する。

分光装置は、特許文献１に記載されているように、光通信システムにおけるＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing：波長分割多重）信号をモニタする手段としても用いられている。

図７は、従来の分光装置の概略構成例を示すブロック図である。図７において、光ファイバ１の出力光は、第１の放物面鏡２によって平行光に変換され、回折格子３に入射される。回折格子３の出射光は第２の放物面鏡４に入射され、放物面鏡４の焦点位置に配置された出射スリット５を通過する。そして、出射スリット５を通過した光は、フォトダイオード６で電気信号に変換される。

このような構成において、回折格子３を回転させることによりフォトダイオード６に入射される光信号の波長が順次走査され、各波長の光強度が測定される。なお、図７の構成では、光ファイバ１のコア径が入力スリットとして代用されている。

また、光ファイバ１からの出射光は、ある特定の広がり角を有しており、この広がり角が分光装置を構成する各光学部品のサイズを決定している。たとえば、放物面鏡２の大きさは、光ファイバ１からの光線の広がり角度をθとし、放物面鏡２の焦点距離をｆとすると、放物面鏡２のおおよその大きさは下式で示される。
（放物面鏡のサイズ）＝２×ｆ×tan（θ／２） （１）

このようにして光学部品のサイズを決めることにより、光ファイバ１から出射される光をすべて分光装置に取り込むことができ、精度の高い測定が可能となる。

ところで、図７の分光装置に接続される光ファイバ１には様々な種類がある。光ファイバ１の開口率（ＮＡ）についても、光ファイバの種類によって多様である。たとえば、マルチモード光ファイバの場合、ＮＡは０．２以上となる。ＮＡ０．２の光ファイバから出射される光の広がり角度は次式であらわされ、２３度以上となる。
（光ファイバから出射される光線の広がり角度）＝２×sin^-1（ＮＡ） （２）

図７の分光装置にマルチモードファイバを接続する場合には、式１の関係から、放物面鏡２として図７に示す放物面鏡２の２倍以上のサイズのものを用意するか、あるいは、放物面鏡２の焦点距離ｆを１／２にする必要がある。

特許文献１には、光通信分野で用いられる複数の応答関数を用いた分光装置において、レーザのような単一スペクトルやＷＤＭのような単一スペクトルが多重された光のＮＡを調整することにより開口でのパターン分布を変え、センサ面での結像の広がりを除去することで信号の迷光分を効果的に除去し、光ノイズレベルおよび光ＳＮＲを高精度に算出測定できる分光装置に関する技術が記載されている。

特開２００３−７５２５４号公報

しかし、大型の放物面鏡は高価であるため、入力ファイバの広がり角度は限定されることが多くなり、放物面鏡の焦点距離は分光装置の分解能を決定することから、焦点距離を単純に短くできるものではなく、逆に分光装置の分解能を高くするために長くする場合が多い。

これらの場合には、入力ファイバから出射される光をすべて分光装置に取り込むことは困難であり、以下のような不都合を生じるおそれがある。

まず、分光装置の損失となるため、測定のＳＮが劣化することになる。

また、マルチモードファイバの出射光の場合、出射光の強度分布がファイバフォームによって変化する。この結果、ファイバからの出射光の中心部分の光線のみを分光装置に取り込むと、ファイバフォームの変化によって分光装置に取り込む光量が変化し、測定レベルが不安定になってしまう。

すなわち、分光装置に接続される光ファイバのＮＡが想定よりも大きくなると、光ファイバから出射される光をすべて分光装置に取り込めなくなり、高精度の測定が行えなくなるという問題がある。

本発明は、このような従来の問題点に着目したものであり、その目的は、分光装置に接続される光ファイバのＮＡが想定よりも大きい場合でも、光ファイバの出射光をすべて分光装置に取り込み、精度の高い測定を実現できる分光装置を提供することにある。

このような課題を達成する請求項１の発明は、
光ファイバを介して入力される測定すべき光信号を平行光に変換して回折格子に入射する放物面鏡を有する分光装置において、
前記光ファイバの出力端部に、出射光のＮＡを入射光のＮＡよりも小さく変換するＮＡ変換手段、
を設けたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の分光装置において、
前記分光装置を構成する放物面鏡の焦点位置と前記ＮＡ変換手段の光出力部の焦点位置がほぼ一致するとともに、
前記分光装置内部の光軸と前記ＮＡ変換手段の光軸は同一軸を形成するように構成されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載の分光装置において、
前記ＮＡ変換手段は少なくとも１枚のレンズで構成されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１または請求項２に記載の分光装置において、
前記ＮＡ変換手段はＴＥＣファイバで構成されていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１または請求項２に記載の分光装置において、
前記ＮＡ変換手段は一端にＧＲＩＮレンズが設けられたファイバで構成されていることを特徴とする。

これらにより、分光装置に接続される光ファイバのＮＡが想定よりも大きい場合でも、光ファイバの出射光をすべて分光装置に取り込むことができ、高精度の測定が行える。

本発明の一実施例を示すブロック図である。 レンズを用いたＮＡ変換装置７の具体例を示す構成説明図である。 光スペクトラムの測定例図である。 光ファイバの接続構成例図である。 ＮＡ変換装置として用いるファイバの具体例を示す構成説明図である。 ＮＡ変換装置として用いるファイバの他の具体例を示す構成説明図である。 従来の分光装置の概略構成例を示すブロック図である。

以下、本発明について、図面を用いて説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図７と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図７の差異は、図１において、光ファイバ１の出力端部に、ＮＡ変換装置７が設けられていることである。ＮＡ変換装置７は、出射光のＮＡを入射光のＮＡよりも小さく変換する。

図２はレンズを用いたＮＡ変換装置７の具体例を示す構成説明図であり、（Ａ）は無限光学系の例を示し、（Ｂ）は有限光学系の例を示している。

図２（Ａ）において、光ファイバ１側の光入力部に設けられたレンズ７ａは焦点距離ｆ１を有し、他端の光出力部に設けられたレンズ７ｂは焦点距離ｆ２（＞ｆ1）を有するものである。レンズ７ａを通過した光は平行光になり、レンズ７ｂにより収束される。レンズ７ａを通過した光は平行に進むことから、原理的にはレンズ７ａとレンズ７ｂとの間の距離Ｌを自由に変更でき、無限光学系が構成される。

これに対し、図２（Ｂ）において、レンズ７ｃは焦点距離ｆ３を有している。レンズ７ｃを通過した光は、焦点距離ｆ３の位置に収束される。この場合、収束位置が固定されるので、有限光学系となる。

これらのレンズ７ａ〜７ｃとしては、非球面レンズ、凸レンズ、両凸レンズ、レンズ内部の屈折率が不均一に分布しているＧＲＩＮ（Gradient Index）レンズなど、多種多様のレンズを用いることができる。

再び図１おいて、分光装置としての性能を最大に発揮させるために、以下の２点が守られていることが望ましい。
１）分光装置内部の放物面鏡２の焦点位置とＮＡ変換装置７の光出力部の焦点位置はほぼ一致していること
２）分光装置内部の光軸とＮＡ変換装置７の光軸が同一軸上に配置されていること

これら２つの条件を満たすＮＡ変換装置７として、たとえばＴＥＣ（Thermally Expanded Core Fiber）ファイバを使用してもよい。ＴＥＣファイバは、熱拡散技術により光ファイバのＭＦＤ（モードフィールド径）を局所的に拡大させたものである。

図１の動作を説明する。放物面鏡２の焦点距離を３００ｍｍとし、想定される入力ファイバ１のＮＡを０．１とすると、放物面鏡２として必要なサイズは、式（１）および式（２）から、６０ｍｍ以上になる。

ＮＡ変換装置７を設けていない図７に示す従来の分光装置に、光ファイバ１としてＮＡが想定よりも大きいが接続されると、入力光の一部が拡散して放物面鏡２からはみ出てしまう。たとえばＮＡ０．２の光ファイバ１が接続された場合を考えると、光ビームの拡散により、そのほぼ半分が放物面鏡２からはみ出ることになる。

これに対し、図１の本発明の実施例に示すように、光ファイバ１の出力端部にＮＡ変換装置７を付加することにより、ＮＡ変換装置７の光出力部におけるＮＡを小さく所望の値に調整できる。

ＮＡ変換装置７として、たとえば図２（Ａ）に示す無限光学系の装置を付加する。ここで、ＮＡ変換装置７のレンズ７ｂの焦点距離ｆ２は、レンズ７ａの焦点距離ｆ１の２倍に設定されているものとする。ＮＡ変換装置７の光入力部にＮＡが０．２の光ファイバ１が接続されると、ＮＡはＮＡ変換装置７により１／２に変換されてＮＡ変換装置７の光出力部のＮＡは０．１になり、放物面鏡２に入射される光ビームの拡散を防止できる。

これにより、ＮＡが想定よりも大きい光ファイバ１であっても、ＮＡ変換装置７を介して分光装置に接続することで、分光装置自体の設計を変更することなく、放物面鏡２に入射される光ビームが拡散により放物面鏡２からはみ出ることを防止して光ファイバ１から出射される光をすべて分光装置に取り込むことができ、精度の高い測定が行える。

分光装置は、放物面鏡２の焦点距離を長くすると分解能を高くできるため、焦点距離の長い分光装置が主流である。その反面、分光装置内部の光学部品のサイズを大きくすると部品が高額となることから光学部品のサイズはさほど大きくできず、結果として、入力ファイバのＮＡが制限される場合が多い。

これらの問題は、本発明のように光ファイバ１の出力端部にＮＡ変換装置７を付加することで解決できる。図３は、ＮＡ変換装置７を付加した本発明の分光装置によって測定された光スペクトラムの測定例図である。図３において、特性ＡはＮＡ変換装置を介さない場合のスペクトラムを示し、特性ＢはＮＡ変換装置を介した場合のスペクトラムを示している。

ＮＡ変換装置７を介さない特性Ａの場合、測定レベルが低下するだけではなく、測定スペクトラムも不安定になっている。これは、光ファイバ１からの出射光の強度分布がファイバフォームによって不安定になり、光ファイバ１からの出射光の中心部分の光線のみを分光装置に取り込むことに起因している。すなわち、ファイバフォームのわずかな変化で分光装置に取り込む光量も変化して測定スペクトラムが不安定になってしまう。これは最大の問題である。

これに対し、ＮＡ変換装置７を介した特性Ｂの場合、測定レベルは上昇し、スペクトラムの安定した精度の高い測定が行える。

ところで、分光装置の光入力部に光ファイバ１を接続するのにあたり、一般的には、図４（Ａ）に示すように、コネクタ付光ファイバケーブルを分光装置の光入力部に装着されたレセプタクル８に差し込むことが行われている。すなわち、コネクタつきファイバケーブル１の先端部には、フェルール９が取り付けられており、フェルール９内部に光ファイバ１の端部が装着保持されている。なお、図４（Ｂ）はフェルール９の拡大図である。

また、レセプタクル８の内径に対してフェルール９の外形がわずかに小さい寸法に設計されており、この嵌め合い構造により高精度で光ファイバ１がレセプタクル８に装着できる。さらに、フェルール９の先端がレセプタクル８の内部に突き当たって止まる構造になっており、放物面鏡２の焦点位置とフェルール９の先端位置を精度よく一致させることができる。

図５は、前述の分光装置としての性能を最大に発揮させるための２つの条件を満たすＮＡ変換装置として用いるファイバの具体例を示す構成説明図である。図５において、ファイバ１０のクラッド１０ａで被覆されたコア１０ｂにおける分光装置の光入力部に接続される出力端側ＯＵＴには、熱拡散技術によるモードフィールド径の拡大処理（ＴＥＣ）加工が施されＴＥＣファイバとして構成されている。

図５のように加工されたＴＥＣファイバ１０をフェルール９の内部に装着保持させて光コネクタ付きファイバ１とし、図４のレセプタクル８に差し込むことで、容易に上記２点の要件を満足させることができる。

ところが、市販されているＴＥＣファイバのほとんどはシングルモードファイバタイプであり、汎用性に欠ける。この汎用性の課題は、図６のように構成されたファイバを用いることで解決できる。

図６も、前述の分光装置としての性能を最大に発揮させるための２つの条件を満たすＮＡ変換装置７として用いるファイバの他の具体例を示す構成説明図である。ファイバ１１のクラッド１１ａで被覆されたコア１１ｂにおける分光装置の光入力部に接続される出力端側ＯＵＴには、ファイバ１１の径と同サイズの前述のようなＧＲＩＮレンズ１２が融着接続されている。

図６のように加工されたＧＲＩＮレンズ付きファイバ１１をフェルール９の内部に装着保持させて光コネクタ付きファイバ１とし、図４のレセプタクル８に差し込むことで、ＴＥＣファイバ１０と同様に容易に上記２点の要件を満足させることができるとともに、適用できるファイバの種類が増えることから図５のＴＥＣファイバよりも高い汎用性が得られる。

以上説明したように、本発明によれば、分光装置に接続される光ファイバのＮＡが想定よりも大きい場合でも光ファイバの出射光をすべて分光装置に取り込むことができ、精度の高い測定が行える分光装置が実現できる。

１、１０、１１ 光ファイバ
１０ａ、１１ａ クラッド
１０ｂ、１１ｂ コア
２、４ 放物面鏡
３ 回折格子
５ 出射スリット
６ フォトダイオード
７ ＮＡ変換装置
７ａ〜７ｃ レンズ
８ レセプタクル
９ フェルール
１２ ＧＲＩＮレンズ

Claims (5)

1. 光ファイバを介して入力される測定すべき光信号を平行光に変換して回折格子に入射する放物面鏡を有する分光装置において、
   前記光ファイバの出力端部に、出射光のＮＡを入射光のＮＡよりも小さく変換するＮＡ変換手段、
   を設けたことを特徴とする分光装置。
2. 前記分光装置を構成する放物面鏡の焦点位置と前記ＮＡ変換手段の光出力部の焦点位置がほぼ一致するとともに、
   前記分光装置内部の光軸と前記ＮＡ変換手段の光軸は同一軸を形成するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
3. 前記ＮＡ変換手段は少なくとも１枚のレンズで構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分光装置。
4. 前記ＮＡ変換手段はＴＥＣファイバで構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分光装置。
5. 前記ＮＡ変換手段は一端にＧＲＩＮレンズが設けられたファイバで構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の分光装置。

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